BDS聯合作戰位置信息服務系統設計與實現

侯光華，劉應剛，蘇 展，曹 燦，王引娣

（1. 61773部隊，烏魯木齊 831400；2. 63769部隊，西安 710038）

0 引言

信息化條件下，聯合作戰對戰場指揮控制提出更高的要求，指揮順暢和高效指揮成為聯合作戰中更為迫切的實際需求[1]。北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system， BDS）于 2012年12月 27日完成區域階段部署，可為亞太大部分地區提供公開服務[2]。我軍基于BDS的指揮控制系統，為部隊指揮控制提供了可靠的導航定位保障[3-7]，但是在應用過程中仍然存在一些不足，主要表現在以下幾個方面：

1）目前指揮機關可通過 BDS指揮機實現對一定數量下屬部隊的指揮控制，但是在大規模的作戰、訓練、演習時，指揮機關往往需要打破現有隸屬關系，根據任務需要配屬作戰部（分）隊完成同一個作戰任務，這就迫切需要開發一套系統，能夠突破現有指揮模式，最大限度地實現高效指揮。

2）BDS指揮型用戶機和下屬BDS用戶機的指揮關系，在其注冊時就固化在指揮型用戶機 IC卡上，導致部隊指揮關系和隸屬關系相對固化。當作戰任務改變，需要配屬其他作戰部（分）隊，指揮關系發生臨時性調整時，必須將所用BDS指揮機用戶IC卡發往用戶認證中心，將新的指揮關系重新寫在BDS指揮機用戶IC卡上才能實現指揮關系的調整；當任務完成時，還需要再將以前的指揮關系重新寫回IC卡。這種相對固定的指揮關系和瞬息萬變的戰場需求不相適應，無法實現聯合作戰指揮的高時效性和多軍兵種“聯合性”對衛星導航定位服務保障的要求。

3）指揮所通過BDS指揮機給下屬BDS用戶機發送指揮指令的頻度受BDS服務頻度限制，不能實時將作戰指令發送給下屬BDS用戶機。

4）基于BDS的指揮控制系統，指揮機關除了需要導航信息和通信信息外，還需要結合專業的數字地圖才能實現對作戰部隊的指揮控制。而數字地圖的制作專業性較強，制作過程較為復雜，需要耗費大量的資源，因此對于一般作戰部隊來說，使用門檻較高。

針對上述不足，緊貼聯合作戰任務需求，提出設計 BDS聯合作戰位置信息服務系統，重點解決BDS在聯合作戰中無法實現靈活配屬、信息共享難、指揮指令服務頻度受限等制約聯合作戰指效益的一系列技術難題。系統通過建立信息服務中心，根據需要為不同級別指揮所提供授權服務，通過分級授權、信息共享、靈活組網，以期實現對聯合作戰指揮體系精確、聯合和高時效的要求，大幅度提升聯合作戰指揮的指揮效益。

1 系統構成

1.1 系統邏輯架構

系統主要由數據層、服務層、用戶層3部分組成。如圖1所示。

圖1 系統邏輯結構

首先數據層建立空間基礎信息數據庫和 BDS導航定位信息數據庫，這2大數據庫是系統實現的核心和基礎，為服務層提供數據支撐。服務層主要通過網絡地理信息系統（web geographic information system，WebGIS）將空間基礎信息數據庫和導航定位數據庫融合、優化、整合為一個信息綜合服務平臺，通過規范的接口和安全機制提供統一的服務。用戶層通過統一的網絡接口，按照相應的權限訪問數據。系統以地理信息系統為支撐平臺，對與其相關的信息建立動態關聯，提供給用戶多種信息表現形式，更直觀、更清晰地反映部隊的3維可視化地理信息。

1）數據層。數據層BDS分為導航信息和空間基礎信息2個部分。BDS導航信息主要由定位信息和短信息組成。BDS導航定位信息是系統的核心數據，對于系統各項功能的實現起著至關重要的作用。空間基礎信息數據庫主要由矢量地圖庫、地形數據庫、遙感衛星影像庫組成，是地圖綜合信息服務的基礎數據。

2）服務層。服務層主要提供定位信息服務、通信信息服務、地圖綜合服務、3維地形服務、用戶審計授權管理服務。每種服務按照標準接口對外提供數據服務，用戶只要經過授權，就可實現按照權限訪問各類信息，為部隊聯合作戰高效指揮提供信息保障。

3）用戶層。由基本指揮所、上級指揮所、移動指揮所、一體化指揮平臺和維護人員4部分組成。各類用戶均可通過用戶管理模塊，按照相應權限訪問數據，從而獲得配屬部隊和友鄰部隊的位置和通信信息及戰場態勢。

1.2 系統物理架構

指揮控制中心分散在不同的地域（如圖2所示），安裝在指揮控制中心的客戶端軟件，自動實時將指揮機及其下屬用戶機的導航信息和通信信息按照統一的標準化信息訪問接口，利用指揮專網/軍事綜合信息網，上傳至信息服務中心的導航信息數據庫并實時更新，從而將不同指揮所下屬部隊的信息融合。指揮所經過授權后，根據權限級別，通過指揮專網/軍事綜合信息網，訪問導航信息數據庫和地圖數據庫，可直接獲取直屬部隊、配屬部隊和友鄰部隊的位置信息和通信信息，結合地圖信息即可在指揮所形成一個可視化的戰場態勢圖，從而為指揮決策提供信息支援保障。

圖2 系統物理架構

服務器是整個系統的核心和基礎。從系統的易用性、可維護性以及橫向擴展等方面考慮，在系統實現時采用支持.NET技術的 Windows 2008 server。數據庫由空間數據庫和業務數據庫組成，采用了支持空間數據和非空間數據（屬性數據）的 Oracle 11g。在空間數據維護系統中，采用了MapInfo 11.0作為應用平臺，實現空間數據錄入、編輯等功能。

2 主要功能和技術指標

2.1 主要功能

1）提供位置服務和通信服務。各級指揮機關向信息服務中心申請相應的數據訪問權限，即可實時高效的獲取配屬部隊和友鄰部隊位置信息和通信信息，簡化了以往獲取友鄰部隊位置信息和通信信息的方式，可實現部隊指揮控制的高效性和實時性。圖3為系統獲取到A師指揮所及A師直屬1團部隊的位置和通信信息。圖4為A師指揮所獲取到直屬的 A師 1團及配屬的B師 4團的位置和通信信息。圖3和圖4中，右下角經緯度坐標值為地圖中心點坐標。

2）提供專業的地圖綜合服務。地圖綜合服務是為支持可視化指揮決策提供的一項信息服務，通過地理信息系統將導航通信數據和地圖數據融合到統一的平臺中，是導航信息數據應用的延伸，可實現位置信息可視化。同時系統提供 3維地形服務，3維地形服務是基于空間基礎信息生成的戰場 3維模型，可為用戶提供更加直觀的立體化戰場信息。圖5至圖7是本系統提供的2維地圖服務和 3維地形服務。圖 5右下角經緯度坐標值為地圖中心點坐標。

圖3 系統獲取的A師指揮所及直屬部隊位置通信信息

圖4 A師指揮所獲取的直屬部隊和配屬部隊位置通信信息

圖5 2維矢量地圖服務

圖6 2維影像地圖服務

圖7 3維地形服務

3）提供輔助決策。系統可為上級機關提供全局性的 2維、3維可視化作戰部署和戰場態勢，為指揮決策提供數據支撐。圖8和圖9分別為通過本系統獲取到的A師和B師等7個部隊的全局性2維、3維作戰部署和戰場態勢信息。圖8和圖9右下角經緯度坐標值為地圖中心點坐標。

圖8 系統2維作戰部署和戰場態勢信息

圖9 系統3維作戰部署和戰場態勢信息

4）提供完善的用戶管理功能。信息服務中心將用戶資料進行整合、管理，建立用戶資料庫，對用戶的注冊、審核、授權、注銷等權限進行管理。對用戶權限進行嚴格控制，防止用戶非法訪問數據，造成要害部門位置信息泄露等問題發生。

2.2 主要技術指標

1）通過遠程網絡，高效訪問導航信息服務器，實時掌握下屬部隊位置和友鄰部隊位置，響應時間小于5 s；

2）通過指揮網/軍事綜合信息網，實現對海量地理信息數據的實時訪問，響應時間小于5 s；

3）可以實現通信指令的實時發送，響應時間小于2 s；

4）用戶管理模塊按需授權實現對用戶的授權管理。

3 系統設計與實現

1）建立空間基礎信息數據庫。空間基礎信息數據庫主要由矢量地圖庫、地形數據庫、遙感衛星影像庫組成。矢量地圖數據依據MapInfo的數據格式，按照特性主要分為居民地層、道路層、水系、政區等圖層。居民地層按照地州、縣、鄉鎮、居民點4個圖層；道路層分為公路和鐵路2個主要圖層；公路又按照級別進行細分為一級（高速路）、二級（省級公路）、三級（縣級公路）、等外2個圖層；水系按照河流、湖泊、渠進形分層存儲。矢量地圖采用的 1∶25萬比例尺的地圖數據，在烏魯木齊市疊加1∶1萬比例尺的地圖數據，增加道路面、政府、單位等圖層來進一步詳細描述地物對象。遙感影像數據包括衛星影像、航空影像。在重點地區使用分辨率較高的航空影像，在一般地區使用分辨率較低的衛星影像。遙感影像的數據使用全國 25 m分辨率的基礎衛星影像，在烏魯木齊市疊加分辨率為0.5 m的衛星影像，在喀什市疊加分辨率為0.2 m的航空影像。3維地形數據使用等高線模型的數字高程模型（digital elevation model， DEM）。

使用SkyLine的產品TerraBuilder，通過航空/衛星影像和高程數據創建 3維地形模型。使用TerraBuilder編輯生成大量包含3維地圖信息的.MPT文件，通過TerraGate進行基礎地形發布，以便用戶通過網絡進行實時的地圖信息訪問和獲取。

2）建立BDS信息數據庫。BDS導航定位系統指揮型用戶機收集下屬用戶機的導航通信信息數據，通過網絡遠程上傳至導航信息服務器，建立實時導航定位信息數據庫，為不同授權用戶提供不同級別的導航信息服務。導航定位信息數據庫數據更新的頻度較高，數據量隨著時間的累積會越來越龐大，系統采用Oracle數據庫作為其實現的技術手段，主要通過建立表BDS_POSDATA和BDS_SENDMSGQUEUE分別對 BDS導航定位信息和通信信息進行儲存，如表1和表 2所示。系統通過建立 BDS定位、通信信息數據表，實現指揮機及其下屬用戶機的定位通信信息實時動態儲存和訪問。

表1 BDS_POSDATA定義

表2 BDS_SENDMSGQUEUE定義

3）建立2維地圖服務平臺。系統采用的2維地圖服務是基于因特網/內聯網的地圖服務，即WebGIS。它是指基于Intemet平臺、客戶端應用軟件采用www協議運行在萬維網上的地理信息系統，核心是在地理信息系統中嵌入 HTTP和 TCP/IP標準的應用體系，實現互聯網環境下的空間信息管理等地理信息系統功能。系統采用 MapXtreme作為2維地圖服務的組件來開發系統。授權指揮機關能夠通過網絡對2維地圖平臺進行訪問，在2維地圖上查看下屬部隊的位置信息，并能對全部或部分下屬實時發送指揮控制指令。2維地圖平臺能實現地圖縮放、距離測量和路徑回放等地圖功能。

解決的第一個技術難點是GIS數據管理。本系統采用文件策略來管理GIS數據，文件管理策略就是每一類地圖數據都存放在一個.tab文件中，對應地圖對象的屬性數據則采用一般的關系數據庫管理系統來管理，二者通過一定的機制關聯起來，多個不同類型的.tab文件結合起來就可以用來表示綜合的地圖信息[8]。

解決的第2個技術難點是使用ASP.NET AJAX技術，實現了良好的用戶體驗。AJAX是Asynchronous JavaScript And XML的縮寫。AJAX技術表示瀏覽器與Web服務器之間是以異步方式進行溝通，并且同時傳送與接收XML。AJAX之所以能夠改善用戶操作體驗，是因為它使用JavaScript和XMLHttpResquest對象來解析和處理 Web服務器所傳送的頁面內容與XML格式文件，所以用戶并不會察覺到頁面更新所造成的畫面閃爍。而且當瀏覽器與Web服務器在后臺異步進行溝通時，用戶仍可以繼續瀏覽頁面并與頁面進行互動。

4）建立3維地圖服務平臺。3維地圖服務是采用Skyline公司的TerraSuite軟件產品編輯建立并提供服務。TerraSuite 由 TerraBuilder，TerraExplorer、TerraGate 3個主要產品組成。TerraBuilder按照精確的 3維地理信息模型將大量的影像、高程和矢量數據集中在一起并建立 3維地理信息數據庫；TerraExplorer是一個用于連接并查看2、3維地理信息數據的桌面軟件，利用它可以進行信息的查看，并實現3維空間分析等功能。

3維地圖服務平臺實現的功能與 2維地圖平臺類似，都能實現對下屬用戶的位置查詢和命令發送。通過3維地圖服務平臺，指揮機關能夠輕易的實現“看得見”的指揮，直觀、真實的3維地形界面將有助于指揮機關實現對下屬部隊的高效指揮。

5）定位信息服務。定位信息服務主要提供部隊實時位置信息監控以及歷史位置軌跡查詢等服務，結合2維、3維地圖服務，可形成全局性的位置信息服務。

6）通信信息服務。通信信息服務主要實現指揮機關對所屬部隊實時指揮。系統提供自定義指揮代碼，可通過定制的指揮代碼實現部隊的指揮控制。

4 系統應用特點

本系統建立的信息服務中心，在海量數據管理能力、圖形和屬性數據一體化存儲、多用戶并發訪問、用戶訪問權限控制和數據安全機制等方面都有明顯的技術優勢，可同時為成千上萬的指揮所提供統一的服務，從而避免每個指揮所架設信息共享服務器所消耗的人力、物力、財力，極大的減少了資源浪費，避免重復建設。本系統具有如下應用特點：

1）可實現靈活的指揮控制。當指揮關系發生變化時，指揮中心可以根據作戰部署，靈活地配屬作戰部隊。系統將大量BDS指揮機及其下屬用戶機通過指揮專網/軍事綜合信息網連接入信息服務中心，將所有指揮機及其下屬用戶機的位置信息和通信信息融合到信息服務中心的數據庫中。當指揮關系發生變化，作戰部署更改之后，指揮機關只需要申請相應的數據訪問權限，即可訪問所有新配屬的部隊的位置信息和通信信息，從而實現對部隊的高效靈活指揮控制。

2）實現實時高效的作戰指揮。單臺BDS指揮機發送通信指令受 BDS服務頻度限制，不能實時將通信指令發送給指定BDS用戶機，但是BDS指揮機大規模集成時產生的集群效應，可以大大提高指揮機的發信效率。系統將大量 BDS指揮機的通信指令，按照權限在信息服務中心建立發信隊列，每個 BDS指揮機可當成一個發信終端，輪詢發信隊列的通信指令，優先選擇空閑 BDS指揮機進行指令發送，因此可以突破單臺 BDS指揮機服務頻度的限制，如圖10所示。當系統中接入的指揮機數量越多，系統性能越優越，可近乎實時的將通信指令發送給指定 BDS用戶機，大幅度提高部隊作戰、訓練、演習過程中的指揮效率，實現實時高效的作戰指揮。

圖10 系統指揮指令發送流程

3）為指揮決策提供數據支撐。系統可以根據需要為上級機關或者相關部門授權，實時瀏覽作戰部署，戰場態勢等。系統將BDS導航信息、通信信息以及地圖信息等融合在信息服務中心，對外提供統一的信息訪問接口。各級指揮機關和相關部門通過授權后，即可通過指揮專網/軍事綜合信息網，訪問信息服務中心，獲得全局性的 3維可視化作戰部署和戰場態勢，為指揮決策提供數據支撐。

4）在網絡GIS中實現了海量柵格數據與矢量數據相結合。出于性能和實現難度的考慮，柵格數據采用一定的規則將大量單幅影像分塊，建立金字塔模型，實現多分辨率存儲和并行讀取技術，在此基礎上使用線性四叉樹索引。同時在客戶端建立影像緩存區，較好地解決了存儲和性能的問題。矢量數據參與業務邏輯的實現與分析，進行復雜的空間分析，同時使用空間數據庫OracleSpatial來存儲矢量數據，可大大提高矢量數據的處理效率。

5）整體技術的先進性。本系統開發采用國際領先的技術理念和軟件產品，從而保證了系統整體架構的先進性、高性能、穩定性、可靠性、開放性和安全性。底層數據庫采用OracleSpatial空間數據庫，保證了底層數據庫高可靠性和高穩定性。MapInfo和Skyline軟件系統分別提供了基于Internet的2維地圖服務和3維地圖服務的完美解決方案，保證了在低網絡帶寬的情況下提供高效實時的可視化地圖服務。Oracle完美的用戶授權方案解決了用戶層授權管理的安全機制。

5 結束語

本系統建立基于BDS導航信息數據庫和地圖數據庫的信息服務平臺，通過指揮專網/軍事綜合信息網為指揮機關提供其下屬用戶在2維和3維地圖上的位置顯示、信息查詢、命令下達等功能。系統能夠通過用戶授權管理，根據作戰部署，靈活的配屬作戰部隊，打破了BDS指揮機和下屬用戶機指揮關系固化的硬件壁壘，實現靈活的指揮控制；系統能夠對接入的指揮機進行集中管理，按照發送指令用戶的權限等級，優先選擇空閑的指揮機進行指令發送，突破了作戰命令下達受指揮機發送頻次的限制，實現實時高效的作戰指揮；上級機關和相關部門通過授權后，能夠通過指揮專網/軍事綜合信息網，訪問信息服務中心，瀏覽3維可視化的作戰部署和戰場態勢，全面提升部隊快速綜合的信息支援能力。系統研究成果是利用現有裝備，在現行作業方案的基礎上改進的，有較強的可行性，在部隊大規模的作戰、訓練、演習等重大任務中具有較強的推廣應用價值。